[비즈한국] 繼哈勃和詹姆斯·韋布之後，又一臺空間望遠鏡飛向了太空。這就是8月30日（當地時間）在美國肯尼迪航天中心39號發射臺，由獵鷹重型火箭搭載升空的南希·格雷斯·羅曼空間望遠鏡。
簡單來說，羅曼望遠鏡擁有一雙與哈勃同樣大小的眼睛，但觀測天空的視野卻比哈勃廣約100倍。哈勃需要100年才能完成的觀測規模，羅曼只需一個月就能完成，它能以前所未有的速度快速掃描廣闊的宇宙。這與以往那種專注於深入觀察特定天體的空間望遠鏡性質完全不同。
哈勃之母，南希·格雷斯·羅曼
1959年，當空間望遠鏡這一概念尚且陌生且備受質疑時，南希·格雷斯·羅曼（Nancy Grace Roman）就在美國國家航空航天局（NASA）領導了空間天文學專案。此後，她透過努力獲得國會嚴苛的批准，為後來促成哈勃空間望遠鏡這一偉大夢想變為現實發揮了關鍵作用。因此，她常被稱為“哈勃之母”。
目前被稱為羅曼空間望遠鏡的這臺裝置，最初的名字要平凡得多。由於其宗旨是以廣闊的視野對紅外宇宙進行觀測，因此最初被命名為WFIRST（廣域紅外巡天望遠鏡）。然而，在南希·羅曼於2018年去世後，為了紀念她的功績，人們將該望遠鏡冠以她的名字。可以說，那位曾為哈勃誕生做出貢獻的人物，如今將以另一臺空間望遠鏡的名字繼續凝望宇宙。
用與哈勃相同的鏡片，觀測100倍廣闊的天空
羅曼的主鏡直徑為2.4米，與哈勃完全相同。如果與透過拼接多塊鏡片而擁有巨大主鏡的詹姆斯·韋布相比，它可能會被認為是一臺“小”望遠鏡。然而，羅曼的核心不在於鏡片大小，而在於其光學系統和觀測方式。
如果說哈勃擅長對狹窄的天空區域進行深度精確的觀測，那麼羅曼則是被設計用於在保持同等精度的情況下，一次性觀測更廣闊的領域。
在普通望遠鏡中，匯聚的光線在視野中心最為清晰。而羅曼為了獲得極寬的視場，其光學系統配置在圍繞中心的廣闊區域內也能保持均勻的畫質。探測器也不僅僅集中在望遠鏡視野的中央，而是呈陣列排布，以高效覆蓋寬廣的焦平面。
羅曼的廣角相機約為3億畫素。單個畫素覆蓋的天空大小約為0.11角秒，單次拍攝所覆蓋的天空面積比滿月還要大。與哈勃的視野相比，幾乎擴大了100倍。
然而，僅僅擴大視野並不能解決所有問題。視野狹窄時，只需保證螢幕中心的目標天體清晰即可，但隨著視野變寬，螢幕內出現的恆星和星系數量會大幅增加。無論天體位於螢幕的哪個位置，都必須保持同等水平的清晰度，且星光必須在整個寬廣的焦平面上穩定成像。羅曼整合了實現這一點的精密光學技術。
為什麼需要羅曼？
既然已經有了哈勃和詹姆斯·韋布等多臺空間望遠鏡在役，為什麼還需要新的羅曼？原因很明確，因為羅曼承擔的角色與現有望遠鏡完全不同。
在特定時刻，羅曼可觀測的區域達到全天的約59%。與像哈勃那樣長時間、深入觀測遠處單個天體的望遠鏡不同，羅曼更接近於一臺巡天望遠鏡，它能快速掃描廣闊天空，發現超新星、系外行星、星系等各種天體和現象。
當羅曼在廣闊的天空中先發現特殊天體後，哈勃或詹姆斯·韋布可以對該目標進行更深入、更清晰的觀測。這樣一來，在大範圍搜尋目標的羅曼與對特定天體進行精密觀察的哈勃、詹姆斯·韋布之間，便能實現高效的分工。
從這一點來看，羅曼的任務反而與先期升空的歐洲航天局（ESA）歐幾里得空間望遠鏡有些相似。歐幾里得觀測約1.5萬平方度的廣闊天空。羅曼的巡天區域雖比它小，但以更高的空間解析度審視宇宙。
最近正式開始觀測的智利維拉·C·魯賓天文臺（Vera C. Rubin Observatory）也透過32億畫素的巨大相機快速掃描可見光下的天空。雖然魯賓天文臺的視野比羅曼廣得多，但由於是地面望遠鏡，無法擺脫大氣的干擾。相比之下，魯賓用可見光觀測，而羅曼用近紅外線觀測同一片天空。結合兩組資料，可以對比各種天體隨波長變化呈現的特性。
羅曼即將繪製的巨型宇宙地圖，將在研究潛伏於宇宙各處的暗物質和暗能量方面發揮重要作用。第一種方法是引力透鏡。存在於宇宙各處的暗物質會使時空彎曲，從而輕微扭曲和拉伸來自其後方星系的光影。
僅僅透過觀測一個星系，無法得知其原始形態，因此很難準確判斷觀測到的星系扭曲了多少。但如果同時觀測並統計對比數億個星系的形狀，情況就會改變。透過分析星系影象平均偏向哪個方向、彎曲和拉伸了多少，可以反向追蹤存在於其間的暗物質分佈。羅曼的廣闊視野在進行這種大規模弱引力透鏡效應測量時尤為有利。
透過星系分佈解讀宇宙膨脹史
第二種方法是繪製宇宙空間中星系的三維分佈圖。
利用羅曼搭載的光譜儀測量單個星系的光譜並求出紅移，即可估算到星系的距離。由此，不僅可以繪製天空中可見的二維位置圖，還能製作包含距離深度資訊的巨型星系地圖。
其中還留下了“重子聲學振盪（Baryon Acoustic Oscillation, BAO）”的痕跡，這是在大爆炸後初期宇宙物質和光結合時期形成的印記。測量星系平均分佈的間隔，並追蹤這一間隔隨宇宙歷史發生的變化，就能推斷出宇宙膨脹的歷史。
這最終成為探明宇宙中存在多少暗物質和暗能量，以及暗能量如何影響宇宙膨脹的重要線索。
第三種方法是反覆觀測隨時間變化的宇宙影像。
羅曼會以一定的週期重複觀測同一片天空。多次拍攝同一區域，可以發現幾天內突然出現或消失的天體，也能捕捉到亮度隨週期明暗變化的星光波動。
透過這種時序觀測，天文學家期待能發現超過2萬顆新的超新星。超新星是掌握宇宙演化過程的關鍵天體。由於亮度極高，即使在極遠距離也能觀測，特定種類的超新星被用作測量天文距離的“標準燭光”。暗能量概念的提出，正是源於利用超新星測量遙遠星系距離並調查宇宙膨脹史的研究。
特別是利用星系空間分佈和超新星進行的這兩種觀測，在近期的宇宙學中具有了更為有趣的意義。近期測定全宇宙重子聲學振盪的研究提出了暗能量可能隨時間變化且強度似乎在減弱的可能性。同時，也有觀點提出超新星本身的亮度可能隨宇宙時代發生細微變化的風險。這種情況也可能與暗能量並非始終恆定的可能性相掛鉤。
長期以來，宇宙學最大的謎團之一即暗能量的本質，正處於引發新論戰的轉折點。此時，羅曼將進行的大規模星系地圖和超新星觀測具有特別重要的意義。
羅曼將帶來的另一場革命：資料
羅曼的重要創新不僅在於觀測裝置，還在於處理資料的方式。羅曼預計平均每天產生約1.4TB的觀測資料。5年內積累的總資料規模將達到約20PB（拍位元組，10的15次方）。這比哈勃過去幾十年積累的資料總量還要龐大得多。
更重要的一點是，這些資料不會被特定研究團隊長期壟斷，而是計劃在完成預處理後向全世界的天文學家公開。
不過，由於資料規模太大，將所有資料下載到個人電腦上進行分析的方式並不現實。因此，將龐大的資料集中儲存，研究人員連線到雲端環境執行必要分析的方式變得尤為重要。
由於資料量超出了人類能夠一一查閱的水平，人工智慧和機器學習的作用也隨之增強。目前，能夠生成與實際觀測相似的高精度影象、自動分類無數星系、尋找突然變亮的特異天體的機器學習工具正在開發中。
過去，全球市民參與的公民科學專案在分類浩瀚的天文資料方面發揮了重要作用。如今，這些積累下來的公民科學成果又成為了優質的學習資料，反過來訓練人工智慧。可以說，一個由人類學習過的宇宙知識所訓練的人工智慧，進而反過來高效快速分析更廣闊宇宙的時代已經開啟。
廣闊而精密的嶄新宇宙
哈勃和詹姆斯·韋布所展現的宇宙已給人類留下了深刻的印象。但羅曼是一臺與它們處於不同維度的望遠鏡。如果說哈勃和詹姆斯·韋布是深入、精密地挖掘宇宙的特定小區域，那麼羅曼則以同樣精密的一雙慧眼，一次性凝望更為廣闊的宇宙。羅曼拍攝的一張照片中，不僅包含幾顆明亮的恆星或一個華麗的星系，無數星系與恆星將被同時記錄，充盈其間的暗物質分佈乃至宇宙膨脹的歷史都將共同銘刻其中。
當觀察宇宙的嶄新視窗開啟時，我們所認知的宇宙面貌也可能發生改變。南希·格雷斯·羅曼空間望遠鏡即將展現的下一個宇宙，將是與哈勃和詹姆斯·韋布所開啟的宇宙截然不同的新樣貌。
作者池雄培是？熱愛貓咪與宇宙。童年時看過《銀河鐵道999》後，立志要將宇宙之美傳達給大眾。目前擔任世宗大學自由專業學部助理教授，同時從事演講、寫作等多種科學傳播活動。著有《關於天文學者的無用性》、《我們都是作為天文學者出生的》、《看到宇宙就會浮現的奇特問題》等書，並翻譯了《我是如何殺掉冥王星的》、《量子生活》、《UFO》等作品。